Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde actie. Deze formulering van de derde wet van Newton heeft twee zeer belangrijke gevolgen: ten eerste is er een fysieke grootheid die altijd in het universum wordt bewaard (momentum), en ten tweede zijn de wetten van de natuurkunde hetzelfde, ongeacht je positie in de ruimte. Het lijkt erop dat er maar een paar woorden zijn, maar in feite zijn ze kolossaal, want als je bijvoorbeeld een apparaat wilt dwingen om beweging te veranderen, moet je er iets mee duwen.
Dit kunnen raketuitlaat zijn, banden tegen de weg, treinwielen op rails of zelfs fotonen die van een zeil stuiteren. Het enige dat verboden is, is de zogenaamde inercoïde, beweging zonder reactie: actie zonder reactie. Dit is wat EMDrive - een "onmogelijke" ruimtemotor die onlangs NASA-tests heeft doorstaan - zou zijn. Als het echt werkt zoals geadverteerd, overtreedt het de wetten van de fysica. Maar er is ook een mogelijke maas in de wet: misschien is er een reactie, die hebben we gewoon niet gevonden. Het is mogelijk dat er tegenstand is, maar het wordt geassocieerd met donkere materie.
Volgens het standaardmodel van kosmologie is de meeste materie in het universum niet in de vorm van atomen of andere bekende deeltjes. Nee, de overgrote meerderheid van de massa - met een verschil van 5 tot 1 - is donkere materie. Donkere materie botst niet, vernietigt niet en heeft geen wisselwerking meer met zichzelf of met andere, gewone materie onder alle bekende omstandigheden, behalve voor gravitatie-invloed. 13,8 miljard jaar later heeft het een gigantisch, diffuus kosmisch netwerk gevormd van zwaartekrachtstructuren en enorme bolvormige halo's met een diameter van meer dan een miljoen lichtjaar die sterrenstelsels als de onze flankeren. Donkere materie doordringt elke vierkante centimeter van ons sterrenstelsel, inclusief elk object op aarde, zelfs ons lichaam, zij het in kleine hoeveelheden.
Onder bepaalde omstandigheden kan donkere materie echter worden overgehaald om met zichzelf of met gewone materie om te gaan, afhankelijk van de aard ervan. Als donkere materie bestaat uit WIMP's (WIMP, een zwak interactief massief deeltje), dan kan het product van zijn vernietiging worden gedetecteerd door detectoren. Als het bestaat uit zeer lichte, deeltjes met een lage massa van axionen, kan het onder bepaalde omstandigheden combineren met fotonen. Een van de experimenten gericht op het vinden van axionen staat bekend als ADMX: het donkere-materie-axion-experiment. In 1983 vond natuurkundige Pierre Sikivi de axion-haloscoop uit, waarbij hij gebruik maakte van het feit dat een axion-fotonpaar onder bepaalde omstandigheden kan worden versterkt in een elektromagnetische holte. Twintig jaar later groeide ADMX uit deze studie en sindsdien zijn wetenschappers op zoek naar axions met deze methode.
Tot op heden is hun zoektocht helaas nog niet met succes bekroond. Misschien bestaan er geen axions, of, als ze geen donkere materie zijn, kunnen ze verschillende parameters hebben waarvoor ADMX niet gevoelig genoeg is. Het is heel goed mogelijk dat verschillende elektromagnetische holtes met verschillende eigenschappen interacties met axions kunnen activeren. Mogelijk kunnen foton-axion-interacties optreden en heeft de holte met de vereiste parameters geleid tot de verstrooiing van axions in de voorkeursrichting. Het is onwaarschijnlijk, maar heel acceptabel, dat EMDrive zo'n holte is.
Hoe het werkt? Op elk moment gaan donkere materiedeeltjes door alle delen van de ruimte, zonder te worden beperkt door de aanwezigheid van materie of andere deeltjes van het Standaardmodel. In de elektromagnetische holte springen fotonen met een bepaalde frequentie in alle richtingen, waarbij ze het momentum behouden en geen stuwkracht creëren. Maar als de fotonen in een bepaalde richting bewegen - bijvoorbeeld naar de achterkant van de holte - kunnen ze botsen met donkere materiedeeltjes en dit zal zijn:
Promotie video:
- Het foton verandert van momentum en beweegt "iets minder naar achteren" en "een beetje meer naar voren" dan vóór de botsing met een deeltje donkere materie.
- Het foton botst met de spouwmuur, kaatst er vanaf en geeft een impuls door naar de holte zelf.
- Een deeltje donkere materie krijgt een impuls in precies de tegenovergestelde richting: terug.
- Het momentum blijft behouden omdat de donkere materie het wegvoert, gelijk en tegengesteld in grootte aan dat wat de holte absorbeert.
Als dit is wat er gebeurt, dan is dit een echte doorbraak. Omdat donkere materie overal is, hebben we alleen een energiebron nodig - geen brandstof - om door de melkweg te reizen, omdat we op elk punt in de ruimte genoeg donkere materie zullen vinden. Dit betekent dat we een methode zullen ontvangen om donkere materie te detecteren die per ongeluk met onze deeltjes botst, en zo het bestaan ervan bevestigen. En nog belangrijker, dit alles is niet in strijd met de wetten van de natuurkunde, omdat het momentum behouden blijft.
De testresultaten van EMDrive moeten nog worden bewezen. Er zijn veel mogelijke bronnen van fouten en de metingen zelf wijzen op een grote onzekerheid in de hoeveelheid stuwkracht die wordt geproduceerd. Het is nog niet duidelijk of er echt een stuwkracht is zonder reactie, of dat er een reactie is die we nog niet hebben gevonden.
En de verklaring met betrekking tot donkere materie zal ook twijfelachtig zijn, omdat het veel onbekenden vereist. Maar als EMDrive echt werkt met donkere energie, en het mysterie van donkere materie voor eens en voor altijd op de meest onverwachte manier wordt opgelost, zal het ongelooflijk zijn.
ILYA KHEL
